专利名称：一种Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金的制备方法
技术领域：
本发明公开了一种Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金制备方法，属于冶金技术领 域铝合金的制备工艺技术。
背景技术：
铝铜镁系耐热铝合金是典型的时效硬化型铝合金，其主要合金元素有Al、Cu、Mg、 Mn、Zr等，由于其较好的耐热性能和高比强度，而被用作航空航天结构材料。目前工业广 泛应用的耐热铝合金是含Cu和Mg的2618铝和2219铝合金。2618铝合金典型的成份为 2. 3wt% Cu 1. 6wt% Mg 1. lwt% Fe 1. 0wt% Ni 0. 18wt% Si 0. 05wt% Ti，余 为Al，其室温抗拉强度0b*441MPa，在200°C时o b为321MPa。另一典型种耐热铝合金 是2219铝合金，其典型成份为6. 3wt% Cu 0. 3wt% Mn 0. 18wt% Zr 0. 10wt% V 0. 06wt % Ti，余为 Al，其室温抗拉强度 ob 为 400MPa，在 200°C 时 o b 为 234MPa。Polmear 在Al-Cu-Mg合金中添加微量的Ag而形成的Al-Cu-Mg-Ag系合金，然后通过热挤压成棒材 (美国专利 No-4772342 ；Materials ScienceForum.，1996，Vols. 217-222，P1759)，其典型 成分为 6. 5wt% Cu 0. 48wt% Mg 0. 46wt% Ag 0. 3wt% Mn 0. 17wt% Zr 0. 07wt % Ti，余为Al，其室温抗拉强度ob为520MPa，在180°C时o b为375MPa。Cantrell等采用 热轧的方法(Materials Science Forum.，1996，Vols. 217-222，P1777)，把合金(化学成份 为5wt% Cu 0. 5wt% Mg 0. 45wt% Mn 0. 45wt% Ag 0. 14wt% V 0. 12wt% Zr, 余为Al)轧制成2. 25mm的板材，其室温抗拉强度o b为480MPa。本发明者提出通过掺杂稀土元素进行微合金化处理，使铸态Al-Cu-Mg-Ag合金的 晶粒细化，然后再进行热挤压及固溶时效处理，可改善合金的时效析出过程，进一步提高其 耐热性能中国专利:CN200710034858. X.CN200710192544. 2、CN2007100360721. 1，但由于 热挤压变形后合金的晶粒仍然粗大，晶粒的平均直径在30um以上，合金性能提高有限。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有Al-Cu-Mg-Ag系耐热铝合金的制备技术存在的不足， 提出一种工艺简单、操作方便、可有效细化Al-Cu-Mg-Ag系合金的晶粒，提高析出强化相的 密度、提高Al-Cu-Mg-Ag系合金的总体强度和高温耐热性能的Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热 铝合金制备方法。本发明一种Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金制备方法，包括以下步骤第一步铸态Al-Cu-Mg-Ag系合金经过均勻化退火处理，进行热挤压；热挤压的挤 压比为8 15，挤压温度为350 430°C ；热挤压的目的在于使铸态合金的晶粒细化；第二步a、热挤压态Al-Cu-Mg-Ag系合金进行多道次等径角热挤压变形，挤压温度为 350 430°C，挤压道次为4 8次；每次等径角挤压后，将Al-Cu-Mg-Ag系合金加热到挤压 温度并保温10 60min ；然后进行下次等径角挤压；每次等径角挤压后，将Al-Cu-Mg-Ag系合金旋转90°进行下次等径角挤压；等径角热挤压后，在520 535°C固溶处理6 24h后 水淬，然后于150 210°C进行5 40h时效处理；或b、热挤压态合金在520 535°C固溶处理6 24h后水淬，然后，室温下进行多道 次等径角挤压变形，挤压道次为3 5次，每次等径角挤压后，将Al-Cu-Mg-Ag系合金旋转 90°进行下次等径角挤压；等径角挤压后，将，Al-Cu-Mg-Ag系合金在150 210°C进行5 40h时效处理即制得晶粒粒度达到0. 6um 2um的Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金。本发明中，所述等径角挤压采用直角形等通道挤压模具。与现有技术相比，本发明的优点在于本发明是在现有的合金成份基础上，首先采用热挤压对Al-Cu-Mg-Ag系合金进行 塑性变形，使铸态合金粗大的树枝晶破碎，进行第一步晶粒细化，此时的晶粒的平均尺寸仍 然在几十微米以上。随后在固溶淬火前或固溶淬火后进行等径角的挤压剪切变形，产生大 应变作用，使合金中形成分布杂乱的位错缠结，位错缠结进一步成胞状结构。随着等晶角 挤压变形次数的增加，变形量进一步增大，位错胞数量增加，尺寸减小，此时胞内几乎没有 位错存在，而胞壁的位错却愈加稠密。当位错胞的直径达到极小值时，不再随变形量的增 加而减小，此后位错产生交滑移，发生动态回复，随着过程的不断进行，胞壁位错纠结不断 地凝集，变为二维界面，形成清晰的小角度亚晶界或大角度晶界，从而实现合金晶粒的超细 化。通过多次等晶角的挤压变形，可使热挤压态的Al-Cu-Mg-Ag系合金进一步细化晶粒到 0.6um 2um，获得超细晶状态。另外，等晶角挤压变形后，合金中产生了较大的应变能，这 种应变能在随后的固溶时效热处理，促进时效强化相的不断析出，提高析出相的析出密度。 由于晶粒超细化与强化析出相密度提高的双重作用，最终使的Al-Cu-Mg-Ag系合金的耐热 性能得到进一步的提高，从而满足特殊环境下对高强耐热铝合金的需要。综上所述，本发明工艺简单、操作方便、可有效细化Al-Cu-Mg-Ag系合金的晶粒， 提高析出强化相的密度、提高Al-Cu-Mg-Ag系合金的总体强度和高温耐热性能；可实现工 业化生产、应用。
具体实施例方式根据本发明的特点，实例采用属于不同成分的Al-Cu-Mg-Ag系合金进行测试。实 例用样品均采用熔炼铸造方法制备，然后经过均勻化退火处理后机加工去头尾和表皮。样 品热挤压在液压机上进行，热挤压温度350°C 430°C，挤压比8 15，挤压后的样品通过两 种方式继续进行加工热处理，即(a)热挤压后的样品在等径角挤压模具上进行剪切变形 处理，等径角挤压温度350°C 430°C，保温时间为lOmin 60min，挤压道次为4 8次，每 次等径角挤压后，重新加热到挤压温度，再进行下次等径角挤压，每次等径角挤压后，样品 转90°进行下次等径角挤压，等径角热挤压后在520 535°C固溶处理6 24h，并于室温 水中淬火，然后于150 210°C进行5 40h时效处理；或者(b)挤压态合金在520 535°C 固溶处理6 24h，并于室温水中淬火，然后在室温下进行等径角挤压变形，挤压道次为3 5次，每次等径角挤压后转90°进行下次等径角挤压。等径角挤压后的合金在150 210°C 进行5 40h时效处理。实验样品的室温与高温力学性能采用维氏硬度评定，具体方式是把样品在150 210°C进行等温时效处理，测试其在时效过程中的最大硬度值(峰时效)。然后把最大硬度值的样品再在250°C保温100h，再测试硬度值的变化，以此表征铝合金的高温耐热性能。结果显示，采用本发明的制备方法，经峰值时效处理样品的硬度明显得到提高，而 高温耐热性能也明显得到改善。对比例1实验合金化学成分为Al-5. 3Cu-0. 8Mg-0. 6Ag_0. lZr-0. 3Mn (质量分数)合金配 料(原料为A00纯铝、A1-50CU中间合金、2号工业纯镁、99. 9%的白银、Al-lOMn中间合金、 Al-4Zr中间合金)在中频感应电阻炉中熔炼，并用C2C16进行精练处理，经过静置、扒渣，通 过铁模浇铸成坯锭。坯锭在430 ？均勻化处理24h后，在400 ？采用挤压比为12进行热挤 压，然后在525 ？固溶15h，淬入室温水中，然后在180 ？进行人工时效处理20h。合金的室 温硬度及高温耐热性能表征见表1。实施例1合金化学成分为Al-5. 3Cu-0. 8Mg_0. 6Ag_0. lZr-0. 3Mn(质量分数)合金配料 (原料为:A00纯铝、A1-50CU中间合金、2号工业纯镁、99. 9%的白银、Al-10Mn中间合金、 Al-4Zr中间合金)在中频感应电阻炉中熔炼，并用C2C16进行精练处理，经过静置、扒渣， 通过铁模浇铸成圆坯，450 ？均勻化处理24h后，在390 ？采用采用挤压比为12进行热挤 压。热挤压态合金进行等径角热挤压变形，等径角挤压的模具采用直角形等通道挤压模具， 挤压温度为390°C，挤压道次为6次。每次等径角挤压后，放入炉中加热到挤压温度并保温 30min，然后进行下次等径角挤压。每次等径角挤压后转90°进行下次等径角挤压。等径角 热挤压后在525°C固溶处理15h，并于室温水中淬火，然后于180°C进行23h时效处理。合金 的室温硬度及高温耐热性能表征见表1。实施例2采用实施例1的铸坯，470 ？均勻化处理48h后，在430 ？采用挤压比为8进行热 挤压。挤压态合金进行等径角热挤压变形，等径角挤压的模具采用直角形等通道挤压模具， 挤压温度为430°C，挤压道次为4次。每次等径角挤压后，放入炉中加热到挤压温度并保温 60min，然后进行下次等径角挤压。每次等径角挤压后转90°进行下次等径角挤压。等径角 热挤压后在535°C固溶处理6h，并于室温水中淬火，然后于150°C进行40h时效处理。合金 的室温硬度及高温耐热性能表征见表1。实施例3采用实施例1的铸坯，420 ？均勻化处理35h后，在350 ？采用挤压比为15进行热 挤压。挤压态合金进行等径角热挤压变形，等径角挤压的模具采用直角形等通道挤压模具， 挤压温度为350°C，挤压道次为8次。每次等径角挤压后，放入炉中加热到挤压温度并保温 lOmin，然后进行下次等径角挤压。每次等径角挤压后转90°进行下次等径角挤压。等径角 热挤压后在520 固溶24h后，淬入室温水中后，在210 ？进行人工时效处理5h。合金的室 温硬度及高温耐热性能表征见表1。对比例2实验合金化学成分为Al-6. OCu-1. 5Mg-l. 0Ag-0. 25Zr-0. 2Mn (质量分数)合金配 料(原料为A00纯铝、A1-50CU中间合金、2号工业纯镁、99. 9%的白银、Al-lOMn中间合金、 Al-4Zr中间合金)在中频感应电阻炉中熔炼，并用C2C16进行精练处理，经过静置、扒渣，通 过铁模浇铸成坯锭。坯锭在450 ？均勻化处理24h后，在400 ？采用挤压比为12进行热挤压，然后在525 固溶15h，淬入室温水中，然后在180 进行人工时效处理20h。合金的室 温硬度及高温耐热性能表征见表1。实施例4实验合金化学成分为Al-6. OCu-1. 5Mg-l. 0Ag-0. 25Zr-0. 2Mn (质量分数)合金配 料(原料为A00纯铝、A1-50CU中间合金、2号工业纯镁、99. 9%的白银、Al-lOMn中间合金、 Al-4Zr中间合金)在中频感应电阻炉中熔炼，并用C2C16进行精练处理，经过静置、扒渣， 通过铁模浇铸成圆坯，450 ？均勻化处理24h后，在390 ？采用采用挤压比为12进行热挤 压。挤压态合金在525°C固溶处理15h，并于室温水中淬火，然后在室温下进行等径角挤压 变形，挤压道次为4次，每次等径角挤压后转90°进行下次等径角挤压。等径角挤压后的合 金在180°C进行23h时效处理。合金的室温硬度及高温耐热性能表征见表1。实施例5采用实施例4的铸坯，470 ？均勻化处理48h后，在430 ？采用挤压比为8进行热 挤压。挤压态合金在535°C固溶处理6h，并于室温水中淬火，然后在室温下进行等径角挤压 变形，挤压道次为3次，每次等径角挤压后转90°进行下次等径角挤压。等径角挤压后的合 金在150°C进行40h时效处理。合金的室温硬度及高温耐热性能表征见表1。实施例6采用实施例4的铸坯，420 ？均勻化处理35h后，在350 ？采用挤压比为15进行热 挤压。挤压态合金在520°C固溶处理24h，并于室温水中淬火，然后在室温下进行等径角挤 压变形，挤压道次为5次，每次等径角挤压后转90°进行下次等径角挤压。等径角挤压后的 合金在210°C进行5h时效处理。合金的室温硬度及高温耐热性能表征见表1。表 权利要求
一种Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金制备方法，包括以下步骤第一步铸态Al-Cu-Mg-Ag系合金经过均匀化退火处理，在350～430℃进行热挤压；第二步热挤压态Al-Cu-Mg-Ag系合金在350～430℃进行多道次等径角挤压变形；每次等径角挤压后，将Al-Cu-Mg-Ag系合金加热到挤压温度并保温10～60min；然后进行下次等径角挤压；等径角热挤压后，在520～535℃固溶处理后水淬，然后于150～210℃进行时效处理即制得晶粒粒度达到0.6um～2um的Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金。
2.—种Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金制备方法，包括以下步骤第一步铸态Al-Cu-Mg-Ag系合金经过均勻化退火处理，在350 430°C进行热挤压；第二步热挤压态Al-Cu-Mg-Ag系合金在520 535°C固溶处理后水淬，然后，室温下进行多道 次等径角挤压变形；等径角挤压后，将，Al-Cu-Mg-Ag系合金在150 210°C进行时效处理即 制得晶粒粒度达到0. 6um 2um的Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金。
3.根据权利要求1或2所述的一种Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金制备方法，其特 征在于热挤压的挤压比为8 15。
4.根据权利要求1所述的一种Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金制备方法，其特征在 于等径角热挤压道次为4 8次。
5.根据权利要求2所述的一种Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金制备方法，其特征在 于等径角挤压道次为3 5次。
6.根据权利要求1、2、4、5所述的一种Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金制备方法，其 特征在于所述等径角挤压采用直角形等通道挤压模具。
7.根据权利要求1或2所述的一种Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金制备方法，其特 征在于每次等径角挤压后，将Al-Cu-Mg-Ag系合金旋转90°进行下次等径角挤压。
8.根据权利要求1或2所述的一种Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金制备方法，其特 征在于所述固溶处理时间为6 24h。
9.根据权利要求1或2所述的一种Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金制备方法，其特 征在于所述时效时间为5 40h。
10.根据权利要求3所述的一种Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金制备方法，其特征在 于所述等径角挤压采用直角形等通道挤压模具。
全文摘要
一种Al-Cu-Mg-Ag系超细晶耐热铝合金制备方法，包括以下步骤热挤压-固溶淬火-等径角挤压-时效处理，最终提高Al-Cu-Mg-Ag系合金的耐热性能。所述热挤压是将铸态铝合金均匀化退火处理后以挤压比为8～15进行热挤压；然后，再在350～430℃进行多道次等径角热挤压变形，最后固溶处理后于室温水中淬火，然后于150～210℃时效处理处理；或者将热挤压态合金固溶处理后于室温水中淬火，然后在室温下进行多道次等径角挤压变形，再时效处理。采用本发明工艺方法可在现有合金的基础上，提高Al-Cu-Mg-Ag系合金的耐热性能，扩大铝合金的应用范围。本发明工艺简单、操作方便、可有效细化Al-Cu-Mg-Ag系合金的晶粒，提高析出强化相的密度、提高Al-Cu-Mg-Ag系合金的总体强度和高温耐热性能；可实现工业化生产、应用。
文档编号C22F1/04GK101876041SQ200910312318
公开日2010年11月3日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者杨太华, 肖代红 申请人:中南大学